Autor: Susanne Freund

Oberflächen veredeln und funktionalisieren

22. Mai 2018

Ausgewählte Beispiele zum thermischen Spritzen, zu Beschichtungsmaterialien und Nanobeschichtungen sowie zur Mess-, Prüf- und Analysetechnik rund um Fragen der Oberflächenfunktionalisierung und -veredelung.

Als Forschung- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS Lösungen für hochbeanspruchte Komponenten im Maschinen- und Fahrzeugbau sowie der Medizin-, Energie- und Umwelttechnik. Eine besondere Herausforderung stellt dabei stets die zuverlässige Anbindung keramischer Werkstoffe an andere Materialsysteme dar. Das langjährige Know-how des IKTS in der Materialkombination wird in verschiedensten Bereichen der Oberflächenveredelung und -funktionalisierung genutzt und auch für Anwendungen über die Keramik hinaus entwickelt.  

 

Keramische Schutzschichten zur Veredelung von CFK/GFK-Komponenten

Anlage zum Plasmaspritzen von Verschleißschutz-, Wärmedämm-, Antihaft-, Isolations- und Kontaktschichten.
© Fraunhofer IKTS
Anlage zum Plasmaspritzen von Verschleißschutz-, Wärmedämm-, Antihaft-, Isolations- und Kontaktschichten.

Faserverbunde, wie kohlefaser- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe, sind hervorragend geeignete Konstruktionswerkstoffe. Sie sind leicht und zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit aus. Aufgrund ihrer nur begrenzt verschleißfesten Oberfläche blieben ihnen bisher jedoch viele Anwendungsgebiete verschlossen. Keramische Beschichtungen können hier die Oberflächenbeständigkeit und -güte von CFK/GFK-Teilen entscheidend verbessern, beispielsweise hinsichtlich Verschleißschutz, Antihaftwirkung oder Isolationsverhalten. Das Fraunhofer IKTS beschichtet dabei die Oberflächen mittels atmosphärischen Plasmaspritzens. Die so erhaltenen Werkstoffverbunde lösen den Zielkonflikt zwischen leichten, hochfesten Bauteilen und hoher Oberflächenbeständigkeit sowie Oberflächengüte. Mit keramischen Verschleißschutzschichten werden die Standzeiten von Bauteilen aus kohlefaser- und glasfaserverstärkten Kunststoffen, je nach Belastung, bis um den Faktor 100 verlängert.

 

Thermisches Spritzen von keramischen Suspensionen für sehr glatte Oberfläche

REM-Aufnahme einer Al2O3-Schicht auf Stahlsubstrat, hergestellt durch thermisches Spritzen einer Suspension.
© Fraunhofer IWS
REM-Aufnahme einer Al2O3-Schicht auf Stahlsubstrat, hergestellt durch thermisches Spritzen einer Suspension.

Keramische Beschichtungen verbessern die Oberflächenbeständigkeit und -güte von Maschinenkomponenten entscheidend. Um eine gezielte Oberflächengüte ohne Nachbearbeitungsschritte zu erreichen, haben die Fraunhofer-Institute IKTS und IWS gemeinsam das thermische Spritzen weiterentwickelt: An Stelle des Pulvers wird eine Suspension verspritzt, die sehr feine Partikel enthält. So lassen sich dünne (< 100 μm) und dichte Schichten mit sehr glatten Oberflächen herstellen und zusätzlich noch Rohstoffe einsparen lassen. Die Schichteigenschaften werden zum einen von den Prozessparametern beim thermischen Spritzen und zum anderen von den Eigenschaften der Suspension bestimmt. Materialien mit homogenen Partikelgrößenverteilungen und hoher Reinheit sind besonders geeignet, um daraus Suspensionen für Schutzschichten herzustellen. Die Suspensionseigenschaften lassen sich unter Verwendung von elektroakustischer, rheologischer und Sedimentations-Messtechnik hinsichtlich Feststoffgehalt, Korngrößenverteilung und Viskosität für jede Anwendung individuell einstellen und optimieren. Neben den unterschiedlichen keramischen Werkstoffen wie Chrom-, Aluminium- oder Zirkonoxid können erstmals auch Hartmetalle defektfrei thermisch gespritzt werden. Außerdem erlaubt die Technik gradierte Schichtsysteme, mit denen zum Beispiel thermische und mechanische Eigenschaften kombiniert werden können.

 

Superharte, korrosionsfeste Diamantkeramikschichten für hochbelastete Bauteile

Superharte Diamantkeramikschichten auf Rohrsegmenten.
© Fraunhofer IKTS
Superharte Diamantkeramikschichten auf Rohrsegmenten.

Im Maschinen- und chemischen Anlagenbau verursachen Schäden durch Verschleiß und Korrosion enorme Kosten und erhebliche Sicherheitsrisiken. Um diese Schäden zu vermeiden, entwickelt das Fraunhofer IKTS zusammen mit Partnern der Fraunhofer-Allianz AdvanCer neue korrosions- und verschleißfeste Diamantkeramiken, die beispielsweise als > 300-500 µm dicke Schichten in hochbeanspruchten Bauteilbereichen aufgebracht werden können. Dadurch können auch großformatige, verschleißfeste und korrosionsstabile Komponenten kostengünstig hergestellt werden.

In Abhängigkeit vom eingesetzten Diamantpulver können komplett unterschiedliche Gefüge und damit auch Eigenschaften erzielt werden. Darüber hinaus belegen tribologische Untersuchungen, dass die Verschleißfestigkeit der entwickelten Diamantkeramiken um den Faktor 10 höher als die von kommerziellen Borcarbid-Werkstoffen ist und sie ein Verschleißverhalten ähnlich dem von extrem hartem polykristallinen Diamant (PKD) aufweisen.

 

Nanokomposit-Schichten für Oberflächen mit kombinierten Eigenschaften

Nanokomposit-Schichten mit viruziden und bakteriziden Eigenschaften.
© Fraunhofer IKTS
Nanokomposit-Schichten mit viruziden und bakteriziden Eigenschaften.

Die Kombination aus plasmagespritzten Schichten und einer Nanokomposit-Versiegelung eröffnet zahlreiche neue Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau oder der Medizintechnik. Die durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) erzeugten Schichten bestehen aus Oxiden, Carbiden und Metallen. Diese dienen als Verschleiß- oder Korrosionsschutz, Wärmebarrieren, Antihaftschichten oder biomedizinische Schichten. Als Ausgangsstoff für die Sol-Gel-Synthese der Nanokomposit-Versiegelung werden Alkoxysilane verwendet, die bei saurer Katalyse in wässrig-alkoholischer Lösung zu Siloxanen kondensieren. Mit Hilfe der Sol-Gel-Technik lassen sich dichte, dünne Nanokompositschichten (Schichtdicke kleiner als 10 μm) herstellen und zahlreiche Eigenschaftskombinationen realisieren.

In diesem Bereich hat das Fraunhofer IKTS in den letzten Jahren bereits verschiedene Anwendungen erschlossen wie beispielsweise Bauteile von Windkraftanlagen (chemische und mechanische Beständigkeit sowie elektrische Isolation), Transportwalzen (Verschleißbeständigkeit und Antihafteigenschaften) oder Zangenspitzen für die Hochfrequenzchirurgie (Antihafteigenschaften und elektrische Isolation). Ein weiterer Ansatz sind viruzide Oberflächenbeschichtungen, die durch ihre Eigenschaften die Übertragungskette von Infektionen unterbrechen. In Krankenhäusern, Alten- und Pflegeheimen könnten beispielsweise Türgriffe, Haltegriffe, Fußböden oder medizinische Hilfsmittel beschichtet werden. Auch ein Einsatz in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Produktion ist denkbar, um die Keimfreiheit von Produkten sicherzustellen.

 

Oberflächenkonforme funktionelle Beschichtung von Werkzeug- und Batteriepulvern

Mit TiN oberflächenkonform beschichtetes Wolframcarbidpulver für verbesserte Werkzeugeigenschaften.
© Fraunhofer IKTS
Mit TiN oberflächenkonform beschichtetes Wolframcarbidpulver für verbesserte Werkzeugeigenschaften.

Ultradünne Barriereschichten und -systeme für hygroskopische und leicht oxidierende Pulvermaterialien können deren Eigenschaftsprofil in der späteren Anwendung signifikant verbessern. Mit einer 10 bis 50 nm dünnen TiN-Beschichtung auf Wolframcarbidpulver lassen sich so beispielsweise neuartige, auf polykristallinen WC-Partikeln basierende Hartmetalle für verschiedene Anwendungen in der Werkzeugindustrie erzeugen. Bei der Herstellung dieser Hartmetalle kann eine Barriereschicht aus TiN ein Eindringen des schmelzflüssigen Cobalts in den Polykristall und das Auflösen desselbigen verhindern. Dadurch wird eine außerordentlich hohe Härte bei gleichzeitig guter Bruchzähigkeit erreicht. Darüber hinaus können LNMO-Pulver für Lithium-Ionen-Batterien mit einer extrem dünnen Al2O3-Beschichtung versehen werden. Diese Schicht verbessert die Grenzfläche zum Elektrolyten, wodurch eine Degradation des Elektrolyten in Verbindung mit dem Hochvoltmaterial LNMO verhindert wird. Hiervon profitieren sowohl die Zyklenstabilität als auch die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle. Mithilfe der zur Verfügung stehenden Ausrüstung und Technologien können Pulvermengen von bis zu 100 g oberflächenkonform mit ALD- und CVD-Verfahren beschichtet werden.

 

CVD-Schichtsysteme für verschleißfestere Werkzeuge

Werkzeugträger bestückt mit CVD-beschichteten verschleißfesten Wendeschneidplatten.
© Fraunhofer IKTS
Werkzeugträger bestückt mit CVD-beschichteten verschleißfesten Wendeschneidplatten.

Die Bearbeitung neuartiger Materialien, wie hochfeste Guss- und Faserverbundwerkstoffe, stellt immer höhere Anforderungen an Schneid- und Umformwerkzeuge. Weitere Einflüsse ergeben sich aus dem zunehmenden Anteil der Trocken- und der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Diese veränderten Einsatzbedingungen erfordern eine Weiterentwicklung der verwendeten Verschleißschutzschichten. Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine wichtige Basistechnologie zur Erzeugung dünner Hartstoffschichten. Das Fraunhofer IKTS beschäftigt sich sowohl mit der Modifizierung bewährter Schichtsysteme als auch mit der Entwicklung neuer Beschichtungen auf Basis von TiN, TiCN, TiC, Al2O3, AlN, TiAlN und SiC.

 

Antireflexbeschichtungen auf transparenten Keramiken

Transparente Keramik mit halbseitiger Antireflex-Beschichtung.
© Fraunhofer IKTS
Transparente Keramik mit halbseitiger Antireflex-Beschichtung.

Für die Entspiegelung von optischen Oberflächen hat sich unter anderem das Aufbringen von Antireflexschichten etabliert. In Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität Berlin hat das Fraunhofer IKTS einen neuen Weg zur Herstellung von Antireflexschichten mit verbesserten optischen Eigenschaften entwickelt. Durch Nutzung der fluorolytischen Sol-Gel-Synthese können nanoskopische Metallfluoride (z. B. MgF2) synthetisiert und als Sol für eine Antireflexbeschichtung auf transparente Werkstoffe wie Glas, Kunststoff oder Keramik aufgetragen werden. Die neuen Nanofluorid-Antireflex-Beschichtungen auf transparenten Keramiken bieten das Potenzial für eine verbesserte Transmission und Einstellung gezielter spektraler Banden oder Maxima der Transmission. Damit steht für die Konstruktion und das Design optischer Systeme neben den kommerziell eingeführten und bekannten optischen Werkstoffen wie Gläsern, Kunststoffen und Einkristallen eine weitere Werkstoffgruppe zur Verfügung.

 

 

Zerstörungsfreie Prüfung zur Qualitätssicherung von Beschichtungsprozessen

 

Optische Kohärenztomographie

Das nicht-invasive, tomographische Bildgebungsverfahren ermöglicht es, die Topographie von Oberflächen in streuenden Medien sichtbar zu machen. Dazu wird das Untersuchungsobjekt mit breitbandigem, nahinfrarotem Licht bestrahlt und das Streulicht spektroskopisch verarbeitet. Die Optische Kohärenztomographie erlaubt dabei Prüfungen in Echtzeit und ohne direkten Kontakt mit der Probe. Sie besticht zudem durch hohe Messgeschwindigkeiten, die die Erfassung volumetrischer Untersuchungsbereiche innerhalb weniger Sekunden ermöglicht. Diese Vorteile qualifizieren das Verfahren als einen effizienten und kostengünstigen Ansatz zur Inline-Defekterkennung.

 

Laser-Speckle-Photometrie

Die zeitaufgelöste Laser-Speckle-Photometrie (LSP) ist ein am Fraunhofer IKTS entwickeltes Verfahren, mit dem Bauteiloberflächen charakterisiert werden können. Es basiert auf der Auswertung der zeitlichen Veränderung von Speckle-Mustern, die sich bei mechanischer oder thermischer Anregung der Prüfobjekte entwickeln. Das berührungslose Verfahren zeichnet sich durch einen einfachen, robusten Aufbau und im Vergleich zu konkurrierenden Messmethoden durch geringe Kosten aus. Die extrem kurzen Messzeiten prädestinieren es für den Inline-Einsatz in der industriellen Produktion. Die Laser-Speckle-Photometrie verfügt über eine hohe Empfindlichkeit für Out-of-plane- und In-plane-Verschiebungen.

 

Hochfrequenz-Wirbelstromverfahren

Die Wirbelstrommethode ist ein elektromagnetisches Verfahren  unter anderem zur zerstörungsfreien Prüfung von metallischen Oberflächen und nicht oder schwach leitfähigen Kunststoff- oder auch Keramikoberflächen. Sie arbeitet sehr schnell, funktioniert ohne Koppelmittel, stellt keine Anforderungen an den Strahlenschutz und lässt sich problemlos in industrielle Fertigungsprozesse integrieren. Am Fraunhofer IKTS wurden die sogenannte Hochfrequenz-Wirbelstromtechnik und die abbildende Impedanzspektroskopie im Frequenzbereich von 100 kHz bis 100 MHz entwickelt.

 

Dielektrische Impedanzanalyse

Das Verfahren kann beispielsweise zur Bewertung des Trocknungsverhaltens von elektrisch leitfähigen Lacksystemen eingesetzt werden. Hierbei wird das Beschichtungsergebnis im noch nassen Zustand geprüft, indem das Perkolationsverhalten der Schicht über eine kontaktfreie Impedanzmessung sofort nach dem Lackiervorgang bestimmt wird. Da die Partikel unmittelbar nach der Beschichtung noch nicht miteinanderverbunden sind, hat die Schicht dielektrische Eigenschaften. Bei der Trocknung setzt die Perkolation ein, d. h. die Partikeldichte erhöht sich. Nach erfolgter Perkolation ist die Schicht elektrisch leitfähig aber noch feucht. Der Zeitpunkt des Perkolationspunkts kann aus der Impedanzmessung sehr gut bestimmt werden und korreliert mit der zukünftigen Schichtdicke im trockenen Zustand. Im Fall einer fehlerhaften Schichtdicke oder abweichenden Partikelkonzentration kann so im nassen Zustand nachgearbeitet oder die Lackschicht wieder entfernt werden.

OCT-Querschnittsbild einer Schweißnaht mit Luft- und Partikeleinschlüssen.
© Fraunhofer IKTS
OCT-Querschnittsbild einer Schweißnaht mit Luft- und Partikeleinschlüssen.
Automatisiertes Online-Prüfsystem auf Basis von Laser-Speckle-Photometrie.
© Fraunhofer IKTS
Automatisiertes Online-Prüfsystem auf Basis von Laser-Speckle-Photometrie.
Robotergeführte zerstörungsfreie Hochfrequenzwirbelstromprüfung an Kohlefaserkompositwerkstoffen mit EddyCus®-Prüfsystem.
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Robotergeführte zerstörungsfreie Hochfrequenzwirbelstromprüfung an Kohlefaserkompositwerkstoffen mit EddyCus®-Prüfsystem.

 

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